基于新型串口服务器的自动化组网新方案

　　摘要：为了简化电力系统自动化组网的复杂性，文章研发出一种新型串口服务器，并提出了基于该设备的详细组网方案，该设备采用全数字化设计，有效避免了采用传统PCM组网方式存在的复杂性和端口安全问题。该方案不仅能有效简化电力自动化系统组网的复杂性，而且还能有效提高自动化数据传输的可靠性和质量。

　　以101规约为基础的电力自动化系统通常采用传统的PCM设备来组网，并利用PCM设备的2/4线EM接口提供低速异步数据通道，RTU装置的数据需要经过外置的调制解调器调制后才能进入2/4线EM接口，相应的在数据接收端还需要调制解调器来进行解调从而还原出数据。这样的组网方法存在下面三个方面的问题：

　　，数据需要经过调制解调才能进行传输，由于音频通道带宽有限，在现有的调制方式下仅能提供2.4kb/s的数据传输率，并且由于外部干扰的因素数据误码率较高。

　　第二，PCM设备和自动化设备分别由不同的部门管理，并且安装在各自的机房，通信机房与自动化机房之间需要铺设大量的音频线缆，过长的线路不仅带来不可预见的干扰，也增加了日常的线路维护及故障查询难度。

　　第三，调制解调器输出的多路低速数据需要采用普通的多串口服务器来转换成IP数据包以供SCADA系统处理，不仅需要大量的调制解调器，而且在调制解调器与多串口服务器之间需要进行大量的端口连接，成本高，且存在端口连接不良的故障隐患。

　　为了解决上述问题，本文提出一种新的自动化数据组网方案，并为该方案的实施开发了一种新型串口服务器。采用该方案，不仅可以节省PCM、调制解调器、IOLAN等设备，还由于省去了许多中间的转换环节，能极大的提高通信的可靠性。

　　一、新组网方案的描述

　　在实现功能的基础上，系统越简单，系统的可靠性也就越高，并且二值化的全数字传输方式也较模拟系统更稳定，基于以上两点原则，本文提出一种新的自动化数据组网方案，框图如下：

　　图中以1个中心站与2个变电站的组网为示例，中心站主站设备与变电站终端设备之间通过SDH网络的E1电路互连。假定每个变电站需要接入4路低速数据，分别占据各自E1电路的1-4时隙，2路E1信号通过SDH网络传输到中心站，为了能将2路E1信号中已使用的1-4时隙合并到1个E1电路里去，中心站需要配置一台时隙调度装置（DDN设备）。经过时隙合并的E1电路从通信机房直接连接到自动化机房的新型串口服务器。上行方向：

　　新型串口服务器把E1信号中的有效时隙提取出来后打包成标准的IP包送给前置机，IP包中包含有相应的时隙编号。下行方向：新型串口服务器接收前置机发送来的IP包，并按IP包中的时隙编号把IP包中的数据插入到相应的E1时隙中。变电站端需要增加一个低速数据插入E1信号64K时隙的转换装置，而且对于已有PCM安装的变电站则可以利用原有的RS232/RS422插板即可。

　　以PCM设备为基础的旧的组网方案如下图所示：

　　旧方案中，变电站端RTU信息首先需要经过调制解调器，接入到PCM设备的2/4线EM接口，经过SDH网络传输到中心站的PCM设备后还原为2/4EM接口，通过配线架后从通信机房延伸到自动化机房，并由调制解调器还原成低速数据，若干路的低速数据接入到IOLAN设备，由IOLAN设备转换成IP包后送给前置机。

　　通过对新旧两种方案的示意图分析可以看出：在完成相同功能的情况下，新方案不仅节省了大量的设备投资（包括PCM设备、调制解调器、IOLAN装置），还简化了线路的配线管理，实现了数据的端对端全程数字化，有效提高了数据传输的质量及可靠性。

　　二、新型串口服务器的原理框图

　　在新的组网方案中，应用到一种新型串口服务器。有别于以前的IOLAN设备，该服务器能够直接完成E1信号中各时隙承载的数据与IP包之间的转换。在上行方向：该设备能将E1时隙中承载的有效数据提取出来并转换成相应的IP包送给前置机；而在下行方向：该设备能接收前置机发送来的IP包并将IP包中的数据插入到对应时隙的E1电路中去。

　　下图是新型串口服务器的原理框图：

　　上行方向：E1接口输入的E1信号首先由HDB3解码模块完成HDB3解码，解码后的NRZ码送到E1解帧电路，E1解帧电路按照G.704的帧结构将30个时隙的有效数据解出，每个时隙的有效数据被分别送到各自的IP打包电路转换成符合IEEE802.3标准的以太网包，并发送给前置机。

　　下行方向：各IP收包电路接收从前置机传送过来的符合自已时隙端口的IP包，解包后提取有效数据，并将数据插入到ST总线相应的时隙中，E1成帧电路则将包含各时隙数据的ST总线按照G.704建议转换成标准的NRZ码流，并经过HDB3编码电路形成标准的HDB3信号。

　　三、E1接口的保护

　　电力系统应用环境特殊、可靠性要求高，在本文提出的组网方案中，E1接口电缆由于要从通信机房延伸到自动化机房，传输距离远，且暴露在复杂的电磁环境下，容易受到浪涌冲击甚至雷击，为确保该接口的安全可靠，必须加强防雷防浪涌保护设计。

　　设计采用如下电路：

　　电路中的保护可分为三级：级采用三端B3D090L放电管，器件标称击穿电压为90V，可承受5kA的过电流冲击。

　　第二级采用两只标称电压250V、保护启动电流为120毫安的自恢复保险丝R。第三级采用导通电压为6.5V的TVS瞬态电压抑制器。电路保护动作的顺序为：雷电电压超过6.5V时，TVS管导通，将冲击泄放到保护地网络；随着流过保险丝的电流增加，保险丝发热会造成阻抗迅速变大，从而抑制了电流对后级芯片接口的冲击；随着雷电电压的进一步升高，一旦达到B3D090L放电管的击穿电压90V，此时放电管将完全导通，将雷电能量引入到保护地。

　　四、结语

　　针对传统的自动化数据组网方案存在的问题，本文从简化设备提高通信可靠性和有效性角度出发，提出一种基于新型串口服务器的组网方案，该方案具有组网灵活、通信质量高、经济性强等特点，能大幅降低自动化系统组网的成本，且具有很高的可靠性，值得在其他地区推广应用。

参考文献:

[1]. TVS datasheet https://www.dzsc.com/datasheet/TVS_1174166.html.